Neurobiological basis of anxiety and social behaviors

Abstract

Stress activates the hypothalamic-pituitary-adrenal axis and leads to a controlled release of glucocorticoids (GCs) in the blood stream. Due to their pleiotropic effects, synthetic GCs are often prescribed in clinics, as for example in preterm risk pregnancies in order to accelerate fetal lung maturation. Previous preclinical studies have shown that administration of GCs during pregnancy can contribute for the development of neuropsychiatric disorders later in life such as anxiety and depression, and may lead to social deficits. In this dissertation we have studied some of the neurobiological circuits involved in anxiety and social behaviors by studying a rat model injected with a synthetic GC (dexamethasone – 1mg/kg), at days 18 and 19 of pregnancy, which has been shown to present an anxious behavior and social impairments (iuGC model). iuGC animals present hyperanxiety, increased fear behavior, and hyper-reactivity to negative stimuli, accompanied with an increase of 22 kHz ultrasonic vocalizations. In parallel, we found that iuGC animals present increased choline acetyltransferase (ChAT) expression in the laterodorsal tegmental nucleus (LDT) and pedunculopontine tegmental nucleus (PPT) in a basal situation. These results were interesting because this pathway is responsible for the initiation of 22 kHz negative vocalizations and is important for the control of emotional arousal. In addition, and in accordance with the amplified response to an adverse stimulus in iuGC animals, we found an increase in ChAT/c-fos expression in the LDT and PPT regions. We also analyzed the effect of iuGC exposure in the bed nucleus of stria terminalis (BNST), a brain region known to be involved in the modulation of stress response and anxiety behaviors. No major effect in BNST basal or evoked activity was found in iuGC animals in Sprague Dawley background. Importantly, these animals also do not show the prominent anxious behavior observed in Wistar Han strain with iuGC exposure, suggesting that different strains have distinctive susceptibility to GC effects. Next, we observed the impact of modulating different neuronal populations in social behaviors. First, we used optogenetic tools to selectively activate (or inhibit) LDT neurons during social encounters. Optical activation of LDT-ventral tegmental area (VTA) projections leads to a moderate increase in social interaction. This effect is specific, since no differences were observed in object interaction. In addition, bidirectional modulation of the LDT- nucleus accumbens (NAc) projections has no effect on same-sex, non-aggressive, social or in object interaction. Second, because previous work from our team has shown that iuGC exposure alters NAc dopamine receptor D2 (D2R) neurons, we decided to evaluate the role of this neuronal population in social behaviors. Activation of NAc D2R-expressing neurons leads to a modest increase in social interaction, with no differences observed in object interaction. Inhibition of NAc D2R-expressing neurons had no impact in social or object interaction. However, we found that optical activation of NAc D2R-expressing neurons rescues the social impairments observed in the iuGC model. In conclusion, we have shown that iuGC exposure programs different brain regions, namely the LDT and the NAc, and leads to anxious behavior and social impairments. We further show an important modulatory role of LDT-VTA projections in social behaviors.

O stress ativa o eixo hipotálamo-pituitária-adrenal e conduz à libertação controlada de glucocorticoides (GCs) na corrente sanguínea. Devido aos seus efeitos pleiotrópicos, os GCs sintéticos são usados frequentemente na prática clínica, como por exemplo em gravidezes em risco de parto pré-termo, para promover a maturação pulmonar fetal. Estudos anteriores demonstraram que a administração de GCs durante a gravidez podem contribuir para o desenvolvimento de doenças neuropsiquiátricas em adultos, tais como ansiedade e depressão, e podem induzir défices sociais. Nesta dissertação estudamos alguns dos circuitos neurobiológicos envolvidos no comportamento ansioso e social, usando um modelo de ratos exposto a um GC sintético (dexametasona - 1mg/kg), nos dias embrionários 18 e 19, no qual previamente se demonstrou um comportamento ansioso e défices sociais (modelo iuGC). Os animais iuGC apresentam híper-ansiedade, um aumento do comportamento do medo, e uma hiper-reactividade a um estímulo negativo; estes comportamentos foram acompanhados com um aumento do número vocalizações ultrassónicas negativas emitidas, i.e., de 22 kHz . Em paralelo, os animais iuGC apresentam um aumento na expressão da colina acetil-transferase (ChAT) no núcleo laterodorsal tegmental (LDT) e no núcleo pedúnculo pontino tegmental (PPT), numa situação basal. Estes resultados foram interessantes uma vez que este circuito neuronal é responsável pela iniciação das vocalizações de 22 kHz e é importante no controlo emocional. De acordo com a resposta amplificada a um estímulo adverso dos animais iuGC, encontramos um aumento no número de células ChAT/c-fos positivas nas regiões LDT e no PTT. Também analisamos o efeito da exposição ao iuGC no núcleo da estria terminal (BNST), uma região cerebral envolvida na modulação da resposta ao stress e no comportamento ansioso. Não encontrámos diferenças na ativada basal ou evocada no BNST nos animais iuGC na estirpe Sprague Dawley. Contudo, observamos que estes animais não apresentam o clássico comportamento ansioso previamente observado na estirpe Wistar Han sujeita a iuGC, sugerindo que diferentes estirpes de rato têm diferentes vulnerabilidades aos efeitos deletérios dos GCs. De seguida, observamos o impacto da modulação de diferentes populações neuronais no comportamento social. Para isso usamos a técnica de optogenética para seletivamente ativar (e inibir) as projeções LDT- área tegmental ventral (VTA) durante encontros sociais. A ativação ótica das projeções LDT-VTA produz um aumento moderado da interação social. Este efeito é específico, uma vez que não foram observadas diferenças na interação com um objeto. Adicionalmente, a modulação bidirecional das projeções LDT- núcleo accumbens (NAc) aparenta não ter qualquer efeito na interação social entre animais do mesmo sexo ou na interação com objeto. Posteriormente, tendo em conta resultados anteriores da nossa equipa que mostraram que exposição ao iuGC altera os neurónios D2 no NAc, decidimos avaliar o papel desta população neuronal no comportamento social. Ativação dos neurónios D2 no NAc conduzem a um aumento moderado da interação social, sem diferenças observadas na interação com um objeto. A inibição dos neurónios que D2 não tem impacto na interação social e com o objeto. A ativação ótica destes neurónios normaliza os défices no comportamento social observados nos animais iuGC. Em conclusão, demonstramos que exposição a iuGC programa diferentes regiões cerebrais, nomeadamente o LDT e o NAc, e induz comportamento ansioso e défices sociais. Por fim, também demostramos um importante papel modulador das projeções LDT-VTA no comportamento social.